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1、学习目标1.能举例说出蛋白质工程崛起的缘由。能举例说出蛋白质工程崛起的缘由。2.掌握蛋白质工程的基本原理和操作流程掌握蛋白质工程的基本原理和操作流程(重、难点重、难点)3.明确蛋白质工程的含义，区分蛋白质工程和基因工明确蛋白质工程的含义，区分蛋白质工程和基因工程的不同之处。程的不同之处。4.了解蛋白质工程的发展情况，大致了解人类蛋白质了解蛋白质工程的发展情况，大致了解人类蛋白质组计划、酶工程等与其相关的前沿科学研究。组计划、酶工程等与其相关的前沿科学研究。思考：如果想让某一个生物的性状在另思考：如果想让某一个生物的性状在另外一个生物的身上表达，常用的方法有外一个生物的身上表达，常用的方法有哪些
2、？哪些？1 1、在、在种内种内可以用什么方法？可以用什么方法？杂交育种杂交育种 2 2、在、在种间种间可以用什么方法？可以用什么方法？基因工程育种基因工程育种 一、蛋白质工程崛起的缘由一、蛋白质工程崛起的缘由基因工程的实质基因工程的实质：将一种生物的将一种生物的 转移转移到另一种生物体内，后者产生它到另一种生物体内，后者产生它本不能产生的本不能产生的 ，进而表，进而表现出现出 。基因基因蛋白质蛋白质新的性状新的性状优点：优点：育种周期短；育种周期短；目的性强，可定向改变生物性状；目的性强，可定向改变生物性状；克服远缘杂交不亲和的障碍。克服远缘杂交不亲和的障碍。（重点记忆重点记忆）基因工程在基因
3、工程在原则上只能生产自然界原则上只能生产自然界已存在的蛋白质已存在的蛋白质。生物产生的天然蛋白质是生生物产生的天然蛋白质是生物在长期进化过程中形成的，物在长期进化过程中形成的，这些蛋这些蛋白质的结构和功能符合特定物种生存白质的结构和功能符合特定物种生存的需要，却不一定完全符合人类生产的需要，却不一定完全符合人类生产和生活的需要。和生活的需要。基因工程的局限性：基因工程的局限性：例如：例如：1 1、干扰素干扰素是由动物体内的效应是由动物体内的效应T T细胞产细胞产生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病生的一种糖蛋白，几乎能抵抗所有病毒引起的感染。同时，在治疗癌症方毒引起的感染。同时，在治疗癌症方面也有
4、十分可观的疗效。但是，干扰面也有十分可观的疗效。但是，干扰素在素在体外保存相当困难体外保存相当困难。如果将其分子上的一个如果将其分子上的一个半胱氨酸半胱氨酸变变成成丝氨酸丝氨酸，在，在-70oC的条件下，可以的条件下，可以保存保存半年半年。2 2、玉米中赖氨酸的含量玉米中赖氨酸的含量比较低比较低赖氨酸的合成机理：赖氨酸的合成机理：天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶前体物质前体物质赖氨酸赖氨酸 抑制抑制(负反馈调节负反馈调节)天冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（352位的苏氨酸）位的苏氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶（104位的天冬酰胺）位的天冬酰胺）改造改造天
5、冬氨酸激酶天冬氨酸激酶（异亮氨酸）（异亮氨酸）二氢吡啶二羧酸合成酶二氢吡啶二羧酸合成酶（异亮氨酸）（异亮氨酸）3 3、在已研究过的、在已研究过的几千种酶几千种酶中，只有极中，只有极少数可以应用于工业生产，少数可以应用于工业生产，绝大多绝大多数数酶都不能应用于工业生产，这些酶都不能应用于工业生产，这些酶虽然酶虽然在自然状态下有活性在自然状态下有活性，但，但在在工业生产中没有活性或活性很低工业生产中没有活性或活性很低。这这是因为工业生产中是因为工业生产中每一步的反应每一步的反应体系中常常会有酸、碱或有机溶剂体系中常常会有酸、碱或有机溶剂存在，反应温度较高，在这种条件存在，反应温度较高，在这种条件下
6、，大多数酶会很快下，大多数酶会很快变性失活变性失活。于是，于是，要对现有蛋白质进行要对现有蛋白质进行改造改造，制造出目前从天然蛋，制造出目前从天然蛋白质中找不到的蛋白质，成白质中找不到的蛋白质，成为必然。为必然。蛋白质工程应运而生了。蛋白质工程应运而生了。1、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白、你知道人类蛋白质组计划吗？它与蛋白质工程有什么关系？我国科学家承担了什质工程有什么关系？我国科学家承担了什么任务？么任务？（了解了解）旁栏思考题旁栏思考题 人类蛋白质组计划人类蛋白质组计划是继人类基因组计是继人类基因组计划之后，生命科学乃至自然科学领域一项划之后，生命科学乃至自然科学领域一项重大的科学命
7、题。重大的科学命题。20012001年年，国际人类蛋白，国际人类蛋白质组组织宣告质组组织宣告成立成立。20032003年年该组织正式提该组织正式提出出启动启动了两项重大国际合作行动：一项是了两项重大国际合作行动：一项是由由中国科学家牵头执行的中国科学家牵头执行的“人类肝脏蛋白人类肝脏蛋白质组计划质组计划”；另一项是以；另一项是以美国科学家牵头美国科学家牵头执行的执行的“人类血浆蛋白质组计划人类血浆蛋白质组计划”，由此，由此拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。拉开了人类蛋白质组计划的帷幕。“人类肝脏蛋白质组计划人类肝脏蛋白质组计划”是国际上第一是国际上第一个人类组织器官的蛋白质组计划，由我个人类组织器
8、官的蛋白质组计划，由我国国贺福初院士牵头贺福初院士牵头，这是中国科学家第一，这是中国科学家第一次领衔的重大国际科研协作计划，次领衔的重大国际科研协作计划，总部设总部设在北京在北京，目前有目前有1616个国家和地区的个国家和地区的8080多个多个实验室报名参加实验室报名参加。它的科学目标是揭示并。它的科学目标是揭示并确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊确认肝脏的蛋白质，为重大肝病预防、诊断、治疗和新药研发的突破提供重要的科断、治疗和新药研发的突破提供重要的科学基础。学基础。人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白人类蛋白质组计划的深入研究将是对蛋白质工程的有力推动和理论支持质工程的有力推动和理论支持
9、。天然蛋白质是怎样合成的？天然蛋白质是怎样合成的？uu中心法则（表示遗传信息的流动过程）中心法则（表示遗传信息的流动过程）DNA（基因）转录mRNA翻译多肽链盘曲 折叠 具有高级结具有高级结构的蛋白质构的蛋白质表达生物特有的表达生物特有的功能和性状功能和性状结论结论：蛋白质的功能是由蛋白质的蛋白质的功能是由蛋白质的_决定的，决定的，蛋白质的结构是由蛋白质的结构是由_决定的。决定的。结构结构DNA（基因）（基因）逆转录思思 考考（P26P26P26P26）对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋对天然蛋白质进行改造，你认为应该直接对蛋白质分子进行操作，还是通过对基因的操作来白质分子进行操作，还是
10、通过对基因的操作来实现？实现？通过通过对基因的操作对基因的操作来实现对蛋白质的改造来实现对蛋白质的改造理由有：理由有：任何一种天然任何一种天然蛋白质都是基因编码蛋白质都是基因编码的，的，改造了基因，改造了基因，即对蛋白质进行了改造即对蛋白质进行了改造，经这样，经这样改造过的蛋白质可改造过的蛋白质可以遗传下去以遗传下去；若直接改造蛋白质，即使成功，被改；若直接改造蛋白质，即使成功，被改造过的蛋白质还是不能遗传的；造过的蛋白质还是不能遗传的；对基因进行改造对基因进行改造比对蛋白质进行改造要比对蛋白质进行改造要容易操作，容易操作，难度要小得多难度要小得多。二、蛋白质工程的基本原理二、蛋白质工程的基本
11、原理1 1、蛋白质工程的目标：、蛋白质工程的目标：根据人们对蛋白质根据人们对蛋白质功能功能的特定需求，的特定需求，对蛋白质的对蛋白质的结构结构进行进行分子设计分子设计。2、天然蛋白质合成过程、天然蛋白质合成过程基因基因表达（转录和翻译）表达（转录和翻译）形成氨基酸序列的多肽链形成氨基酸序列的多肽链形成具有高级结构的蛋白质形成具有高级结构的蛋白质行使生物功能行使生物功能DNA（基因）（基因）mRNA蛋白质蛋白质转录翻译3、蛋白质工程流程、蛋白质工程流程从预期的蛋白质功能出发从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列推测应有的氨基酸序列找到相对应的脱氧核苷酸
12、序列（基因）找到相对应的脱氧核苷酸序列（基因）讨讨 论论（P27P27）某多肽链的一段氨基酸序列是：某多肽链的一段氨基酸序列是：丙氨酸丙氨酸色氨色氨酸酸赖氨酸赖氨酸甲硫氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸,（1 1）怎样得出决定）怎样得出决定）怎样得出决定）怎样得出决定这这这这一段肽链的脱氧核苷酸序列？一段肽链的脱氧核苷酸序列？一段肽链的脱氧核苷酸序列？一段肽链的脱氧核苷酸序列？mRNAmRNA：GCUGCU（C C或或或或A A或或或或G G）UGGAAAUGGAAA（或（或（或（或G G）AUGUUUAUGUUU（或（或（或（或C C）DNADNA：CGACGA（G G或或或或T T或或或或C C
13、）ACCTTTACCTTT（或（或（或（或C C）TACAAATACAAA（或（或（或（或G G）丙氨酸：丙氨酸：GCU（或（或C或或A或或G），色氨酸：），色氨酸：UGG，赖氨酸：，赖氨酸：AAA（或（或G），甲硫氨酸：），甲硫氨酸：AUG；苯丙氨酸：苯丙氨酸：UUU（或（或C）（2 2）确定目的基因的碱基序列后，怎样才）确定目的基因的碱基序列后，怎样才能合成或改造目的基因（能合成或改造目的基因（DNADNA）？）？确定目的基因的碱基序列后，就确定目的基因的碱基序列后，就可以根据人类的需要改造它，通过可以根据人类的需要改造它，通过人人工合成的方法工合成的方法或从或从基因文库中获取后基因文库中
14、获取后进行改造进行改造。4 4、蛋白质工程的概念、蛋白质工程的概念 蛋白质工程是指以蛋白质分子的_及其与_的关系作为基础，通过_或_，对现有蛋白质进行_，或制造一种_，以满足生产和生活的需求。结构规律生物功能基因修饰基因合成改造新的蛋白质蛋白质工程蛋白质工程是是第二代基因工程第二代基因工程5 5、蛋白质工程和基因工程的区别、蛋白质工程和基因工程的区别比较项目比较项目比较项目比较项目基因工程基因工程基因工程基因工程蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程蛋白质工程操作内容操作内容操作内容操作内容程序上程序上程序上程序上 是否合成新的是否合成新的是否合成新的是否合成新的蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质顺着中心法则顺
15、着中心法则逆着中心法则逆着中心法则是是不是不是转移转移现有基因现有基因改造改造现有基因现有基因或或合成合成新基因新基因三、蛋白质工程的进展和前景三、蛋白质工程的进展和前景1、对胰岛素改造，使其成为速效型药品对胰岛素改造，使其成为速效型药品 天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体天然胰岛素制剂在储存中易形成二聚体和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，和六聚体，延缓胰岛素从注射部位进入血液，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，从而延缓了其降血糖作用，也增加了抗原性，这是胰岛素这是胰岛素B23-B28B23-B28氨基酸残基结构所致。利氨基酸残基结构所致。利用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其
16、用蛋白质工程技术改变这些残基，则可降低其聚合作用，使胰岛素快速起作用。该聚合作用，使胰岛素快速起作用。该速效胰岛速效胰岛素素已通过临床实验。已通过临床实验。2 2、微电子方面的应用、微电子方面的应用 生物和材料科学家正积极探索生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面。将蛋白质工程应用于微电子方面。用蛋白质工程方法制成的用蛋白质工程方法制成的电子元件电子元件，具有具有体积小体积小、耗电少耗电少和和效率高效率高的特的特点，因此有极为广阔的发展前景。点，因此有极为广阔的发展前景。3 3、蛋白质工程目前、蛋白质工程目前难度很大、成功不多难度很大、成功不多，主要是因为蛋白质发挥其功能需要依
17、赖于主要是因为蛋白质发挥其功能需要依赖于正确的高级结构，而正确的高级结构，而科学家目前对大多数科学家目前对大多数蛋白质的高级结构了解很少，蛋白质的高级结构了解很少，在生物体内在生物体内如何行使功能也知之甚少，如何行使功能也知之甚少，要设计出更加要设计出更加符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的符合人类需要的蛋白质还需要经过艰辛的探索。探索。你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，你知道酶工程吗？绝大多数酶都是蛋白质，酶工程与蛋白质工程有什么区别？酶工程与蛋白质工程有什么区别？P28 思考与探索思考与探索 概括地说，酶工程是由概括地说，酶工程是由酶制剂的生产酶制剂的生产和和应用应用两两方面组成的。酶
18、工程的应用主要集中于食品工方面组成的。酶工程的应用主要集中于食品工业、轻工业以及医药工业中。业、轻工业以及医药工业中。加酶洗衣粉、嫩加酶洗衣粉、嫩肉粉肉粉等，就是酶工程最直接的体现。等，就是酶工程最直接的体现。通常所说的通常所说的酶工程是用工程菌生产酶制剂酶工程是用工程菌生产酶制剂，而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结而没有经过由酶的功能来设计酶的分子结构，然后由酶的分子结构来确定相应基因构，然后由酶的分子结构来确定相应基因的碱基序列等步骤。因此，的碱基序列等步骤。因此，酶工程的重点酶工程的重点在于在于对已存在酶的合理充分利用对已存在酶的合理充分利用，而，而蛋白蛋白质工程的重点质工程的重点则在
19、于则在于对已存在的蛋白质分对已存在的蛋白质分子的改造子的改造。当然，随着蛋白质工程的发展，。当然，随着蛋白质工程的发展，其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成其成果也会应用到酶工程中，使酶工程成为蛋白质工程的一部分。为蛋白质工程的一部分。1 1 关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法关于生物体内存在的天然蛋白质，下列说法不正确的是不正确的是A A是生物在长期进化过程中形成的是生物在长期进化过程中形成的B B它们的结构和功能符合特定物种生存的需要它们的结构和功能符合特定物种生存的需要C C构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有构成天然蛋白质的氨基酸目前发现的有2020种种D D一定完全符合人类生产和生
20、活的需要一定完全符合人类生产和生活的需要反馈练习反馈练习D2 2蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是蛋白质工程中直接需要进行操作的对象是 氨基酸结构氨基酸结构 B B蛋白质空间结构蛋白质空间结构 C C肽链结构肽链结构 D D基因结构基因结构 3 3下列关于蛋白质工程的说法错误的是下列关于蛋白质工程的说法错误的是 A A蛋蛋白白质质工工程程能能定定向向改改造造蛋蛋白白质质分分子子的的结结构构，使使之更加符合人类的需要之更加符合人类的需要 B B蛋蛋白白质质工工程程是是在在分分子子水水平平上上对对蛋蛋白白质质分分子子直直接接进行操作，定向改变分子的结构进行操作，定向改变分子的结构 C C蛋蛋白白
21、质质工工程程能能产产生生出出自自然然界界中中不不曾曾存存在在过过的的新新型蛋白质分子型蛋白质分子 D D蛋蛋白白质质工工程程与与基基因因工工程程密密不不可可分分，又又被被称称为为第第二代基因工程二代基因工程4 4、以下关于蛋白质工程的说法正确的是、以下关于蛋白质工程的说法正确的是A A、蛋白质工程以基因工程为基础、蛋白质工程以基因工程为基础B B、蛋白质工程就是酶工程的延伸、蛋白质工程就是酶工程的延伸C C、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造、蛋白质工程就是用蛋白酶对蛋白质进行改造D D、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质、蛋白质工程只能生产天然的蛋白质 5 5、蛋白质工程的基本流程正确的是（
22、）、蛋白质工程的基本流程正确的是（）蛋白质分子结构设计蛋白质分子结构设计 DNADNA合成合成 预期蛋白质功能预期蛋白质功能 根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列根据氨基酸序列推出脱氧核苷酸序列 A A B B C C D D6 6、蛋蛋白白质质工工程程是是在在基基因因工工程程基基础础上上，延延伸伸出出来来的的第第二二代代基基因因工工程程，其其结结果果产产生生的的蛋蛋白白质质是是（）（）A A氨基酸种类增多氨基酸种类增多 B B氨基酸种类减少氨基酸种类减少C C仍为天然存在蛋白质仍为天然存在蛋白质 D D可合成天然不存在蛋白质可合成天然不存在蛋白质7 7、关于蛋白质工程的进展和应用，下列说法、关于
23、蛋白质工程的进展和应用，下列说法不正确的是（不正确的是（）A A科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为科学家通过对胰岛素的改造，已使其成为速效药品速效药品B B生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工生物和材料科学家正积极探索将蛋白质工程应用于微电子方面程应用于微电子方面C C蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被蛋白质工程技术已经非常成熟，目前正被大力推广应用大力推广应用D D蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前蛋白质工程是一项难度很大的工程，目前成功的例子不多成功的例子不多C C8、枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，、枯草杆菌产生的蛋白酶具有催化分解蛋白质的特性，但极易被氧化而失效。但
24、极易被氧化而失效。1985年，美国的埃斯特尔将枯草杆年，美国的埃斯特尔将枯草杆菌蛋白酶分子中的第菌蛋白酶分子中的第222位氨基酸替换后，虽然其水解活位氨基酸替换后，虽然其水解活性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为性有所下降，但抗氧化能力大大提高。用这种水解酶作为洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污洗涤剂的添加剂，可以有效地除去血渍、奶渍等蛋白质污渍。渍。（1）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是）改造枯草杆菌蛋白酶的生物技术是 。（2）改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原）改造后的枯草杆菌中的控制合成蛋白酶的基因与原来相比，至少有来相比，至少有 个碱基对发生变化。个碱基对发生变化。（3）利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的）利用生物技术改造蛋白质，提高了蛋白质的 性，性，埃斯特尔所作的工作是对已知蛋白质进行埃斯特尔所作的工作是对已知蛋白质进行 。蛋白质工程蛋白质工程1稳定稳定少数氨基酸的替换少数氨基酸的替换